一文教你快速掌握的微波頻段有源RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.引言

RFID（RadioFrequeneyIdentification）射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由閱讀器和電子標(biāo)簽兩部分組成，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器有效作用距離內(nèi)，雙方即可按照一定的協(xié)議進(jìn)行通信。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽， 操作快捷方便。 短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，可在這樣的環(huán)境中替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體。長(zhǎng)距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識(shí)別距離可達(dá)幾十米，如自動(dòng)收費(fèi)或識(shí)別車(chē)輛身份等［6］。另外，由于該技術(shù)很難被仿冒、侵入，使電子標(biāo)簽具備了極高的安全防護(hù)能力。RFID的應(yīng)用非常廣泛，目前典型應(yīng)用有動(dòng)物晶片、汽車(chē)晶片防？器、門(mén)禁管制、停車(chē)場(chǎng)管制、生產(chǎn)線自動(dòng)化、物料管理。各國(guó)及相關(guān)國(guó)際組織都在積極推進(jìn)RFID 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。目前，還未形成完善的關(guān)于RFID的國(guó)際和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前主要的RFID 相關(guān)規(guī)范有歐美的EPC 規(guī)范、日本的UID（UbiquitousID）規(guī)范和ISO 18000系列標(biāo)準(zhǔn)。

RFID電子標(biāo)簽種類(lèi)很多，分類(lèi)方式多樣。按照供電方式可分為有源和無(wú)源的電子標(biāo)簽;按照載波頻率可分為低頻（134.2kHz）、高頻（13.56MHz）、超高頻（433MHz和915MHz），以及微波電子標(biāo)簽（2.45GHz以上）［6］;RFID電子標(biāo)簽的單項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但不管在物流業(yè)還是制造業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中還存在大量的技術(shù)難題。如：經(jīng)濟(jì)性、信號(hào)干擾、識(shí)別率的提高、信息安全和隱私保護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)化等問(wèn)題。

基本 RFID 系統(tǒng)由 RFID 標(biāo)簽（Tag）、RFID 閱讀器（Reader）及應(yīng)用支撐軟件等幾部分組成。CC2430芯片以強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支持，得到嵌入式機(jī)構(gòu)很高的認(rèn)可。同時(shí)也適用2.4 GHz頻率的設(shè)備。CC2430芯片采用O.18μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA;在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。采用7 mm×7mm QLP封裝，共有48個(gè)引腳。全部引腳可分為I/O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類(lèi)［5］。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。特別適合應(yīng)用于RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文以TI公司的CC2430為核心，設(shè)計(jì)有源RFID標(biāo)簽。使用3。3-4。5V?？墒褂眉~扣電池供電，該芯片功耗低。所需外圍電路少，高頻元件全部集成于芯片內(nèi)其工作性能穩(wěn)定不受外界影響。非常適合于對(duì)低功耗，高性能要求的應(yīng)用環(huán)境。

2．標(biāo)簽的硬件設(shè)計(jì)

2．1 硬件電路結(jié)構(gòu)

典型的有源RFID標(biāo)簽由天線，射頻模塊，控制模塊，存儲(chǔ)器，喚醒電路，電池模塊等組成如圖1所示。其中射頻模塊完成調(diào)制和解調(diào)標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間的控制信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。控制器執(zhí)行讀寫(xiě)器的指令。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)標(biāo)簽的相關(guān)信息和單片機(jī)的控制程序。控制器對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。射頻模塊包括發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分主要有調(diào)制器，功放，帶通濾波器，混頻器和本振等組成。接收部分由低噪放，帶通濾波器，解調(diào)器，檢波整形等組成。TI公司的CC2430芯片集成了所有的無(wú)線通信系統(tǒng)部分只需添加少數(shù)的外圍電路即可使之構(gòu)成無(wú)線通信模塊，這樣降低了系統(tǒng)成本和簡(jiǎn)化了標(biāo)簽的設(shè)計(jì)。CC2430芯片采用O．18μmCMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25 mA。采用7 mm×7mm QLP封裝，共有48個(gè)腳。全部引腳可分為I／O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類(lèi)。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。特別適合應(yīng)用于RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本標(biāo)簽設(shè)計(jì)匹配電路使輸出匹配50歐的微帶貼片天線。PCB設(shè)計(jì)中全采用表貼元件，這樣簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜度和標(biāo)簽的尺寸大小。整個(gè)PCB控制在10CM*5CM內(nèi)，滿(mǎn)足了標(biāo)簽小型化的設(shè)計(jì)。標(biāo)簽的電路圖如圖2所示。

2．2 標(biāo)簽的低功耗設(shè)計(jì)

對(duì)于有源標(biāo)簽，由于其使用電池供電，所以標(biāo)簽的工作壽命有限這就要求標(biāo)簽要節(jié)能并且其功耗要低。從而節(jié)省電池的能量達(dá)到延長(zhǎng)標(biāo)簽的工作壽命。CC2430芯片采用O．18μmCMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25 mA。在標(biāo)簽的設(shè)計(jì)過(guò)程中加入一定的控制程序可使得標(biāo)簽僅在讀寫(xiě)器的工作范圍內(nèi)才進(jìn)入工作狀態(tài)響應(yīng)讀寫(xiě)器的查詢(xún)請(qǐng)求。從而最大程度的節(jié)省了能量。

2．3 讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)

讀寫(xiě)器要與計(jì)算機(jī)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)連接。我們采用串行通信方式。其最大傳輸距離30米．通信速率一般低于20kbps［7］。由于大多數(shù)MCU計(jì)算機(jī)上的串行口都是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的９芯接口．而MCU的引腳一般輸入／輸出使用TTL電平，距離短傳輸質(zhì)量差．所以我們要轉(zhuǎn)換這兩種不同的電平才能正確的實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器與計(jì)算機(jī)的通信連接．讀寫(xiě)器的電路圖如圖3所示。

3．標(biāo)簽的軟件設(shè)計(jì)

3．1 寄存器的設(shè)置

芯片射頻部分的重要參數(shù)，如：接收地址，收發(fā)頻率，無(wú)線傳輸速率，收發(fā)模式等均要在其相應(yīng)的寄存器配置字里面設(shè)置。正確的設(shè)置這些參數(shù)可以提高標(biāo)簽的工作效率和可靠性。

3．2 標(biāo)簽工作流程

標(biāo)簽在平時(shí)處于斷電狀態(tài)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的工作區(qū)域內(nèi)。喚醒信號(hào)的能量使功率比較器輸出高電平激活觸發(fā)器使之控制電源芯片為主電路供電。這樣標(biāo)簽控制器按照防碰撞算法程序在適當(dāng)時(shí)機(jī)從存儲(chǔ)器讀出標(biāo)簽的信息，然后將其通過(guò)射頻模塊調(diào)制，放大通過(guò)天線發(fā)射出去。當(dāng)讀寫(xiě)器正確識(shí)別標(biāo)簽后將發(fā)送該標(biāo)簽的關(guān)閉信號(hào)。標(biāo)簽收到后進(jìn)行判斷，如果為本標(biāo)簽的關(guān)閉信號(hào)，則標(biāo)簽不再向讀寫(xiě)器發(fā)送信息。當(dāng)標(biāo)簽離開(kāi)了讀寫(xiě)器的工作范圍時(shí)。觸發(fā)器控制電源開(kāi)關(guān)芯片使標(biāo)簽主工作電路斷電。從而達(dá)到節(jié)能的目的。標(biāo)簽的工作流程圖如圖4所示。

3．3 計(jì)算機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)端設(shè)計(jì)的軟件界面如圖所示，它由串口設(shè)置區(qū)，通信狀態(tài)區(qū)，接收和發(fā)送區(qū)，ID 信息顯示區(qū)組成。當(dāng)標(biāo)簽收到讀寫(xiě)器的請(qǐng)求后，發(fā)送自身的信息給讀寫(xiě)器，通過(guò)天線接收讀寫(xiě)器對(duì)信息進(jìn)行處理相應(yīng)，然后通過(guò)串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)相應(yīng)的信息進(jìn)行處理后。將其對(duì)應(yīng)的信息顯示在軟件界面上如圖5 所示。